St13 vs St14 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
St13とSt14は、シート、ストリップ、冷間成形部品に一般的に使用される低炭素構造鋼のファミリーにおいて近い親戚です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、スタンプ部品、溶接製品、または一般的な構造パネルのためにこれらの2つのグレードを選択する際に、コスト、成形性、強度のトレードオフを頻繁に考慮します。典型的な意思決定の文脈には、深絞り用のグレードを選ぶことと基本的な構造強度に最適化されたグレードを選ぶこと、または加工後に必要な機械的特性を達成する能力と簡単な加工をバランスさせる材料を選ぶことが含まれます。
両者の主な技術的な違いは、一方のグレードが一般的な冷間加工操作において改善された成形性を提供するように設計されているのに対し、もう一方はより伝統的な低炭素の汎用オプションを表していることです。化学成分と加工ルートが似ているため、成形性能、溶接性、コストが重要な製造操作の材料選択時に、これらの2つのグレードはしばしば比較されます。
1. 標準と指定
- 業界で一般的な標準と指定システムには以下が含まれます：
- ASTM / ASME（アメリカ合衆国）
- EN（ヨーロッパ）
- JIS（日本工業規格）
- GB（中国国家標準）
- 国家および独自の製鋼所仕様
- 分類：
- St13 — 炭素鋼（低炭素構造/ストリップ鋼）
- St14 — 炭素鋼（低炭素構造/ストリップ鋼、成形性向上のために加工された）
- 注： "St" プレフィックスは、構造鋼の特定の地域および供給者の命名法に現れます。ASTM/EN/JIS/GBのカタログ番号への正確なマッピングは、発行された標準または製鋼所証明書に依存します。ユーザーは常に供給者から特定の標準指定および化学/機械証明書を要求するべきです。
2. 化学組成と合金戦略
- 正確な割合を引用するのではなく（標準や製鋼所によって異なる）、以下の表は各グレードの典型的な合金戦略と主要元素の相対的な存在を要約しています。
| 元素 | St13（典型的な戦略） | St14（典型的な戦略） |
|---|---|---|
| C（炭素） | 低炭素含有量（一般的な構造レベル） | 低炭素、しばしば延性を助けるためにやや低めまたは厳密に制御される |
| Mn（マンガン） | 主な強度/加工要素として存在（中程度） | 制御されている; 強度を犠牲にすることなく成形性をサポートするために調整されることがある |
| Si（シリコン） | 小さな脱酸剤の添加（微量〜低） | 制御されていることが多く、表面品質と成形性を改善するために最小限に抑えられる |
| P（リン） | 低く保たれる（残留不純物の制限） | 同様に低い; 厳格な制御が延性を改善することができる |
| S（硫黄） | 低い; 機械加工性のために時折制御される | 成形中の脆化を避けるために低く保たれる |
| Cr, Ni, Mo | 通常は意図的に添加されない | 通常は存在しないか、微量の不純物としてのみ存在する |
| V, Nb, Ti | 意図的な微合金化としては典型的ではない | いくつかのバリエーションでは、粒径を制御するために制御された非常に少量が存在することがある |
| B | 典型的ではない | 典型的ではない |
| N（窒素） | 微量 | 微量; 一部の生産ルートで沈殿挙動を管理するために制御される |
説明：両グレードは本質的に低炭素鋼です。成形性に焦点を当てたグレードの合金戦略は、炭素と間隙元素の厳密な制御、MnとSiの調整、冷間成形を促進するための微細構造と表面状態を生成するための清浄度の厳密な管理に中心を置いています。微合金化（Nb、Ti、V）はどちらのグレードの決定的な特徴ではありませんが、使用される場合は、硬化性を高めるのではなく、粒径と靭性を制御するために導入されます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - St13：従来の熱間圧延と空冷後の主にフェライト-パーライト微細構造; 圧延およびコイリングの実践に応じて比較的粗いフェライト粒。 - St14：同様のフェライト-パーライト基盤だが、冷却の厳密な制御と、一部の製鋼所の実践では、粒構造を精製し、延性を改善するために熱機械的加工が行われる。
熱処理および加工応答： - アニーリング / 再結晶アニーリング：両グレードはアニーリングに応じて軟化と延性の向上を示します。St14は、残留応力を減少させ、成形性を改善する制御されたアニーリングサイクルからより明らかに利益を得ます。 - 正常化：粒径を精製することにより強度を適度に向上させます; シートグレードにはあまり一般的に適用されませんが、より高い強度の製品形状には使用できます。 - 焼入れ後のテンパリング：これらの低炭素シートグレードには典型的ではありません; 焼入れとテンパリングは高強度鋼のルートですが、一般的なSt13/St14の用途には不要です。 - 熱機械的圧延：実施される場合、St14のバリエーションに対して粒径を細かくし、成形性を改善することができ、強度の大きなペナルティなしに行われます。
加工選択（コイリング温度、パスごとの減少、冷却速度）は、最終的な微細構造と成形挙動を決定する上で名目上の化学成分と同じくらい影響力があります。
4. 機械的特性
- 固定された数値ではなく（厚さ、テンパー、標準によって異なる）、以下の比較は定性的であり、熱間圧延または冷間圧延 + アニーリング製品形状における典型的な挙動を反映しています。
| 特性 | St13（典型的） | St14（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度 | 中程度（標準的な低炭素レベル） | 延性を優先するために、アニーリング状態で比較可能またはやや低い |
| 降伏強度 | 中程度 | 成形性を向上させるために多くの製鋼所のテンパーでやや低い |
| 伸び（均一/総合） | 良好 | 改善された（より高い伸びと局所的な成形性） |
| 衝撃靭性 | 常温で十分 | 比較可能; 微細構造の改善により靭性が向上する可能性がある |
| 硬度 | 低から中程度 | 低から中程度 — 類似だが、供給状態では成形のために柔らかくなる傾向がある |
解釈：St14は通常、成形操作においてより高い延性とより良い引張/曲げ性能を提供するように調整されており、これはしばしば厳密な組成管理と最適化された製鋼所加工を通じて達成されます。これにより、供給された降伏および引張値がわずかに減少する可能性がありますが、スタンピングや深絞り中のより大きなひずみの適応を可能にします。成形後により高い強度が必要な場合は、適切な加工を通じた変換や高強度バリエーションの選択を検討する必要があります。
5. 溶接性
低炭素鋼の溶接性に関する考慮事項は、炭素含有量、硬化性、および残留合金に焦点を当てています。典型的な定性的評価： - St13とSt14の両方は、低炭素含有量と最小限の硬化性合金のため、一般的な溶接および抵抗方法で容易に溶接されます。 - 微合金化が存在する場合や高Mnが使用される場合、熱影響部（HAZ）は硬化性が増加する可能性があります; 溶接手順の制御が必要になることがあります。 - プレヒート/ポストヒートの使用と熱入力の制御は、単にグレード名ではなく、部品の厚さとジョイント設計に基づくべきです。
有用な溶接性指数（解釈用のみ）： - 例示的な炭素当量を表示： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 別の指数： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ 解釈：これらの指数の低い値は、HAZ硬度と冷間割れのリスクが低いことを予測します。両グレードは低炭素および低合金であるため、計算された炭素当量の数値は一般的に低く、良好な溶接性を示します。St14のプロセスバリエーションが粒子を精製するために微合金化を使用する場合、溶接手順は潜在的な局所的硬化を考慮する必要があります。
6. 腐食と表面保護
- St13もSt14もステンレス鋼ではなく、大気および湿潤環境下での腐食抵抗は類似しており、中程度です。
- 一般的な保護戦略：
- 屋外または軽度の腐食環境用のホットディップ亜鉛メッキまたは電気亜鉛メッキ。
- 有機コーティング：プライマー、塗料、装飾およびバリア保護のための粉体塗装。
- 塗料の接着と成形または溶接前の一時的な保護のための変換コーティング（リン酸塩）。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの非ステンレスグレードには適用されませんが、参考のために、ステンレス鋼のPRENは次のように示されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 注：表面状態と清浄度は成形性にとって重要です; 一部のコーティングプロセスは成形性を低下させたり、成形中にコーティングの割れを引き起こす可能性があります — 意図した成形操作に適合するコーティングを選択してください。
7. 加工、機械加工性、成形性
- 機械加工性：両グレードは容易に加工されます; St14は、アニーリング状態での強度がやや低いため、特定の冷間加工条件で切断がわずかに容易になることがあります。機械加工性を改善する硫黄添加物は通常、これらのグレードの一部ではありません。
- 成形および曲げ：
- St14は、間隙元素と微細構造の厳密な制御のおかげで、成形性の向上（深い絞り、狭い曲げ半径、より良いフランジ性能）に合わせて調整されています。
- St13は一般的な成形において良好な性能を示しますが、同等の信頼性を得るためにはより大きな曲げ半径や浅い絞り深さが必要になることがあります。
- 表面仕上げとコイル取り扱い：成形用に意図されたSt14のバリエーションは、スタンピング中のスコアリングを減少させ、一貫した潤滑性を向上させる製鋼所のテンパーと表面状態を持つことが多いです。
8. 典型的な用途
| St13 — 典型的な用途 | St14 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 一般構造パネル（重要でない成形性） | 深絞り部品：台所用品、自動車内パネル |
| 簡単な溶接製品および軽構造部材 | 高ひずみを必要とする複雑なスタンプ部品（ドアパネル、燃料タンク） |
| 標準的な延性で十分な冷間成形セクション | 厳しい曲げ、ヘミング、またはストレッチ成形を受ける部品 |
| 経済的な板金用途 | 拒否率を低下させる必要がある高ボリューム成形部品 |
選択の理由：成形能力、必要な後処理、およびコストが製品設計と一致するグレードを選択してください。設計が製造中に厳しい塑性変形を要求する場合、成形性指向のグレードはしばしば工具の摩耗と拒否を減少させます。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：両グレードは合金鋼や高強度鋼と比較して低コストです。成形性最適化グレードは、より厳密な加工と品質管理のために小さなプレミアムがかかることがあります。
- 入手可能性：地域の製鋼所やディストリビューターからシート、コイル、カット長で広く入手可能です。特定のテンパーや表面仕上げ（例：超深絞り、超深絞り + スキンパス）にはリードタイムがある場合があります; 調達は必要なテンパー、表面状態、および証明書の要件を指定するべきです。
10. 概要と推奨
| 指標 | St13 | St14 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 非常に良好 | 非常に良好 |
| 強度–靭性バランス | 標準的な低炭素バランス | 類似のバランス; 延性のために最適化されている |
| コスト | 低い / ベースライン | 一部のテンパーでわずかなプレミアム |
| 成形性 | 良好 | 強化された（成形ひずみの増加に合わせて設計されている） |
St13を選択する場合： - あなたの用途が一般的な構造シートまたは溶接製品であり、標準的な低炭素性能で十分な場合。 - コスト削減が優先事項であり、成形操作が中程度の厳しさである場合。 - 適度な成形の複雑さを持つ部品のために広く利用可能な汎用鋼が必要な場合。
St14を選択する場合： - 製造プロセスが深絞り、狭い曲げ、ヘミング、または他の高ひずみ冷間成形操作を含む場合。 - 成形中の拒否率の低下と表面挙動の改善が生産効率にとって重要である場合。 - 成形に最適化された製鋼所制御のテンパーと表面仕上げを好む場合、たとえ小さなコストプレミアムがあっても。
締めくくりの注意：常に製鋼所の試験証明書を要求し、供給者から正確な化学および機械範囲、表面状態、およびテンパーを確認してください。重要な溶接または重度に成形された部品については、指定されたコイル/テンパーでプロセストライアルを実施し、必要に応じて溶接手順仕様を更新し、金型性能と最終部品特性を検証するための成形トライアルを検討してください。